4.9 PN 다이오드 IV 특성

4.9.0 PN 다이오드 IV 특성 

 

 > PN 접합의 과잉 캐리어 방정식을 통해 전류 밀도를 구할 수 있다. 

 

 

 > 다이오드의 한쪽 끝에서 주입된 전류는 다른 쪽 끝에서 흘러나오기 때문에 연속이다. 

 

 > 따라서 Jn + Jp의 Total J는 모든 거리 x 지점에서 일정하다. 

 

 

 > PN 접합 경계면 (x=0)에서 Jn, Jp를 알고 있으며 모든 x에서 Total J는 다음과 같다. 

 

 

  > 구한 전류 밀도 식을 통해 전류를 구할 수 있다. 

 

 

 > A는 다이오드의 면적이고 I0는 역 포화 전류이다. 

 

 > 역방향으로 전압이 걸렸을 때 흐르는 전류가 -I0이다. (Breakdown 안 걸리는 가정)

 

 > 상온에서 Si PN 접합 다이오드의 Turn On 전압은 0.6V이다. 

 

 > 온도가 올라갈수록 Turn On 전압은 낮아진다. 

 

 > 상온에서 전류 10배당 60mV의 기울기를 갖는다. 

 

v

 

4.9.1 공핍 영역으로부터 전류 기여 

 

 > 앞서 구한 전류 I는 공핍 영역에서 Jn, Jp는 변화하지 않는다는 가정하에 구한 식이다. 

 

 > 즉, 공핍 영역 안에서 전자와 정공들이 재결합과 생성되지 않는다고 가정한 것이다. 

 

 > 실제는 공핍 영역에서 순 캐리어 재결합과 생성이 존재하며 정방향 전류와 역방향 전류에 영향을 끼친다. 

 

 > 이러한 기여는 공간 전하 영역 전류 (SCR Current: Space Charge Region Current)라고 한다. 

 

 > 공간 전하 영역은 공핍 영역의 다른 이름이다. 

 

 > 공핍 영역 안에서 pn의 곱은 다음과 같이 나타낼 수 있다. 

 

 

 > 공핍 영역 안에서 n, p는 주어지지 않음으로 전자와 정공의 비율이 비슷할 때 재결합이 많이 된다는 것을 가정한다. 

 

 

 > 이를 이용해서 추가적인 전류 성분을 식으로 나타내면 다음과 같다. 

 

 

 > τ_dep 는 공핍층에서 생성/재결합 수명이다. 

 

 > -1 항은 V가 0일 때 재결합/생성 비율이 0이 되게 하기 위함이다. 

 

 > 식의 두 번째 항이 여분의 전류이고 10^7 이하에서 생기는 여분의 전류이다. 

 

 > 해당 전류는 잡음이나 누설 전류로 발생하기 때문에 각별한 주의가 요구된다. 

 

 

4.9.0 PN Diode IV Characteristics

•The current density can be calculated through the excess carrier equations of the PN junction.

 

 

•Current injected from one end of the diode flows out from the other end, making it continuous.

 

•Therefore, the total current density Jn​+Jp​ is constant at all points x.

•Knowing Jn​ and Jp​ at the PN junction boundary (x=0), the total current J at any x is as follows:

•Using the derived current density equation, the current can be calculated.

•Where A is the area of the diode and I0​ is the reverse saturation current. The current flowing in the reverse direction when a voltage is applied is −I0​, assuming no breakdown occurs.

 

•The turn-on voltage for a silicon PN junction diode at room temperature is 0.6V. This turn-on voltage decreases as the temperature rises. At room temperature, the current has a slope of 60mV for a tenfold increase.

 

4.9.1 Contribution from the Depletion Region

•The previously calculated current I is based on the assumption that Jn​ and Jp​ do not change within the depletion region.

 

•In reality, there is carrier recombination and generation in the depletion region, which affects both forward and reverse currents.

 

•This contribution is known as the Space Charge Region Current (SCR Current), which refers to the depletion region.

 

•Within the depletion region, the product of n and p for the PN junction can be expressed as follows:

•Assuming that the ratio of electrons to holes is similar within the depletion region, indicating significant recombination.

•Using this, an additional current component can be expressed as follows:

•Where τdep​ represents the generation/recombination lifetime in the depletion layer.

 

•The term "-1" ensures that the recombination/generation ratio is 0 when V is 0.

 

•The second term in the equation represents additional current occurring at levels less than 10^-7, which arises from noise or leakage currents, requiring special attention due to its origins in noise or leakage currents.

Reference 

-. Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits, PEARSON(2013)